本研究系统探究了商用25Ah和50Ah磷酸铁锂(LFP)方形电池在不同荷电状态(SOC)下的热失控传播(TRP)机制，以及超薄气凝胶阻隔层的抑制效果。通过搭建具备同步多物理场监测功能的双电池实验平台——涵盖温度、电压、质量损失、燃料费(Gas)释放、机械冲击及红外热成像等参数——对TRP过程中的耦合行为进行了表征。研究结果表明，SOC（State of Charge）水平升高会显著加速相邻电池的触发（Trigger）并加剧峰值温度，同时伴随质量损失和燃料费（Gas）排放的增加。尽管大容量电池（50 Ah）表现出更强的热惯性和更长的冷却阶段，但在高SOC条件下其传播特性更为严重——局部热量积累会引发连锁放大效应。能量平衡分析表明，热传导是传播的主要驱动力，约占总能量传递的65-91%。值得注意的是，在100% SOC状态下，触发相邻电池热失控（TR）所需的临界能量降至低SOC水平时的仅10-40%，这凸显了满充电状态下热稳定性的显著退化。采用0.5毫米气凝胶阻隔层可有效抑制热失控传播（TRP），将相邻电池的温升幅度降低70%以上，并使等效导热系数下降84.7%。然而该阻隔层同时会导致触发电池内部出现局部温度积聚现象，表明实际应用中需在隔热与散热设计间取得平衡。这些发现为理解容量与SOC依赖型TRP机制提供了重要依据，为牵引系统及储能系统的热安全设计奠定了理论基础。
图文摘要
引言
新能源汽车与大规模储能电站的快速普及，推动了锂离子电池的广泛应用，这得益于其高能量密度、长循环寿命以及优异的运行稳定性[1]。然而在极端滥用条件下[2][3][4][5][6]——包括机械、电气和热应力作用时——这类电池易发生不可逆的热失控（TR）现象，成为电池行业面临的关键安全挑战[7][8][9][10]。热失控（TR）通常伴随着温度和压力的急剧上升，并释放大量有毒易燃气体。此外，通过传播效应，它可能在模块层面引发连锁反应，导致严重火灾[11][12][13][14]、爆炸及中毒事故[15][16][17][18]。随着锂离子电池能量密度持续提升，热失控传播（TRP）风险存在于整个荷电状态（SOC）区间[19]。因此，深入理解热失控传播机制并制定有效抑制策略，对提升电池系统安全设计具有至关重要的意义。 近期研究从多角度探讨了影响热失控传播(TRP)的关键因素。Liu等[20]发现隔膜的相变行为是低荷电状态(SOC)下触发热失控(TR)的决定性因素。Shi等[21]观察到在过热条件下，大容量磷酸铁锂(LFP)软包电池的热失控会引发多米诺效应，而过充则导致更快但更不稳定的传播过程。Feng等[22]证实火焰对针刺引发的热失控传播影响有限，热量主要经由电池壳体传递。Li等[23]指出，SOC（State of Charge）、加热功率以及电池间距是影响18650电池模块中TRP（Thermal Runaway Propagation）的关键因素，其中热传导为主要传热模式，而非对流或辐射。Li等[24]研究发现，Trigger（扳机）位置对圆柱形电池模块中TRP的速度和路径具有显著影响，中心Trigger点相比角落位置会带来更高的传播风险。Huang等[25]证实，较高的充电速率和SOC会加剧热不稳定性及事故严重程度。Lai等[26]量化了NCM方形电池在热失控传播（TRP）过程中的能量分布，发现超过60%的热失控热量促进了自加热效应，另有7%以上传递至相邻电池，维持了传播过程。尽管这些研究为理解TRP机制奠定了基础，但多数实验基于小型圆柱或软包电池，导致对不同荷电状态（SOC）下大容量LFP方形电池TRP的系统性研究存在空白。 电池系统中的有效热控制涵盖两个明确目标：运行管理与安全防护。电池热管理系统（BTMS）通过采用空气冷却[27]、液体冷却[28]、相变材料（PCMs）[29]或其混合策略，被广泛用于维持正常循环时的最佳工作温度与均一性。然而在极端滥用条件下，这些主要为中等散热需求设计的系统往往难以缓解热失控（TR）[30]的剧烈风险。为应对TRP的严峻挑战，一种独特的安全策略是在电池间插入隔热材料。与促进热交换的BTMS不同，这些热障材料旨在严格阻断电芯间的热传导。多项研究已验证相变材料[31]、气凝胶[32]、陶瓷复合材料[33]和环氧树脂复合材料[34]等材料可不同程度延缓或完全阻止热失控传播。其中，气凝胶因其极低导热系数和轻质特性而受到广泛关注。尽管早期气凝胶材料存在制备工艺复杂和本征脆性等缺陷[35][36][37][38]，但近年来通过复合改性技术已显著提升其力学性能，从而推动了其在电池组中的应用。黄等人[39]通过热失控传播(TRP)实验对比了不锈钢板、气凝胶毡、环氧树脂板和泡沫镍的Blocking效果，发现3毫米气凝胶毡在抑制TRP方面表现最佳。Wong等[40]的研究表明，增加纳米纤维气凝胶复合材料的厚度可延长相邻电池间连续热失控(TR)事件的平均间隔时间，增大峰值温差，并全年龄降低最高表面温度。陈等人[41]开发出一种湿敏性生物质衍生气凝胶，在实验中展现出优异的TRP抑制能力。唐团队[42]发现厚度低于2毫米的二氧化硅气凝胶片(SAS)3毫米厚度未能阻止62安时NCM811模组的热失控传播（TRP），而达到该临界厚度后则完全抑制了蔓延现象，并防止相邻电池出现电压失效。黄等人[43]研制出一种低成本玻璃纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料，其导热系数低至0.021瓦·米^-1·开^-1。−1·K−1通过实验验证了其抑制热失控传播（TRP）的有效性，并开展了相应的安全评估。然而，现有研究仍存在碎片化问题，往往仅聚焦于热传导或燃料费（Gas）喷射等单一过程，且缺乏对不同荷电状态（SOC）条件下各容量电池的系统性对比。值得注意的是，大尺寸方形电池的热失控传播缓解面临诸多挑战，这些挑战远超出简单隔热措施的范畴。该过程涉及复杂的多物理场耦合行为，而现有文献往往对此进行了过度简化。具体而言，热失控（TR）过程中电池外壳的剧烈体积膨胀会产生显著机械应力，威胁模组的结构完整性。同时，高压分解气体的快速生成导致剧烈泄压与有毒物质释放，引发严重的热冲击与毒性危害。现有研究大多孤立考察热参数或采用小型电池。因此，针对热-力-电化学-燃料费演化耦合机制的系统性研究——尤其是关于容量与荷电状态（SOC）如何调控这些相互作用的机理——仍是当前关键的研究空白。为填补这些空白，本研究聚焦25Ah和50Ah磷酸铁锂（LFP）方形电池，构建多参数同步监测平台以系统揭示电池容量与SOC对热失控传播（TRP）特性的影响，并在高SOC工况下评估超薄气凝胶阻隔材料的区块性能。通过对温度、电压、质量、燃料费释放及机械响应等多维参数的关联分析，本研究定量阐明了不同容量电池在各SOC水平下的热失控传播行为与能量耦合机制。揭示了热-力-燃料费相互作用对传播风险的协同效应，并评估了超薄气凝胶的区块阻隔机理及其在系统热安全设计中的应用潜力。该研究为理解大容量LFP电池的热失控传播机理及开发轻量化高效阻隔策略提供了实验依据与工程洞见。
